黃土高原蘋果葉片光合作用限制形式研究

王姝婷，李偉，高冠龍，2，3，4*

（1.山西大學 環(huán)境與資源學院，山西 太原 030006；2.長安大學 陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安 710064；3.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；4.山西省黃河實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

黃土高原是我國著名的蘋果產(chǎn)區(qū)，具備了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果的自然條件（海拔高、光照足、晝夜溫差大、污染輕）。然而，黃土高原作為我國半干旱地區(qū)的主要組成部分，缺乏充足的水分來源，加之特殊的氣候條件，土壤水分成為了制約蘋果樹生長的主要因素。因此，黃土高原半干旱地區(qū)蘋果樹的光合作用就容易受到明顯的限制。

水分脅迫對蘋果樹光合作用的限制形式主要包括氣孔限制和非氣孔限制，兩者的共同作用使得蘋果葉片對光能的利用率減弱，影響蘋果樹的生長。判別植物受到氣孔限制或者非氣孔限制的核心就是Ci值的變化。不少學者們針對水分脅迫下植物生長的限制形式進行了研究，得出了一個普遍結(jié)論：在輕度、中度水分脅迫的環(huán)境下，植物光合作用的限制形式主要是氣孔限制，而在重度水分脅迫的環(huán)境下，主要是非氣孔限制，在一些特殊條件下，二者又相伴而生，共同影響著植物的光合作用［1-3］。

國內(nèi)對蘋果樹葉片光合作用的研究［4］多在不同環(huán)境條件下進行，主要集中在干旱脅迫［5］、鹽堿復合脅迫［6］、蓄水坑灌［7］、外源激素［8］及地面覆蓋［9］等方面，缺乏對自然條件下蘋果樹葉片光合作用限制因子的研究。因此，本文在自然環(huán)境條件下，以黃土高原蘋果樹葉片為試驗對象，研究果實膨大期和成熟期光合作用的限制形式及其影響因子，以期了解自然環(huán)境條件下蘋果樹葉片光合作用的限制機理，為黃土高原半干旱地區(qū)蘋果樹的生長和管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省農(nóng)科院植物保護研究所東陽試驗研究基地（地理坐標：37°32′N、112°41′E），地處山西省中部。氣候類型屬于溫帶季風氣候，四季變化明顯，雨熱同期，夏秋季降水集中，冬春季較干旱，平均年降水量為450 mm，空氣相對濕度達60%；年均氣溫為9.5℃，年均風速為2.4 m/s，最少日照數(shù)為253.5 h。試驗區(qū)內(nèi)蘋果樹平均冠幅為316 cm×318 cm，平均地徑為10.9 cm。

1.2 試驗過程與方法

試驗于2019年7月-10月蘋果生長的兩個主要階段（果實膨大期和成熟期）內(nèi)進行，蘋果樹的生長季劃分參考黨宏忠的研究結(jié)果［10］，具體見表1。選擇3株長勢較好的蘋果樹，采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合作用測量儀，選擇3片成熟葉片并始終保持葉面垂向于太陽，每片葉片記錄三次數(shù)據(jù)，測定蘋果樹葉片的氣體交換特性參數(shù)，包括凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、氣孔導度（gs，mol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr，μmol·m-2·s-1）、Ci（μmol·mol-1）和大氣中 CO2濃度（Ca，mmol·mol-1），觀測時段為8：00-18：00，每隔 1 h測量 1次。此外，基地內(nèi)設有小型氣象站以觀測各氣象因子，包括光合有效輻射（PAR，μmol·m-2·s-1）、飽和水汽壓差（VPD，kPa）、空氣溫度（Ta，℃）和空氣濕度（RH，%）。

表1 黃土高原地區(qū)蘋果樹生育期劃分標準Table 1 Division standard of apple tree growth period on Loess Plateau

1.3 氣孔與非氣孔限制值的計算

氣孔限制值（Ls）反映了因氣孔開度減小，氣孔阻力增加［11］，進入葉片內(nèi)的CO2減少而引起光合速率減弱的氣孔因子限制情況。目前，計算Ls的公式為［12］：

式中：Γ為CO2補償點。但實際計算中Γ常被忽略，表達式又可以寫成：

非氣孔限制值反映了光合器官的變化引起的光合作用降低的非氣孔因子限制情況，常用Ci/gs來表征［2-3］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長期蘋果樹環(huán)境因子日變化

在蘋果膨大期和成熟期各選取4 d（7月31日、8月13日、8月20日、8月28日和9月1日、9月8日、9月22日、10月19日）的數(shù)據(jù)，進行環(huán)境因子和生理因子的日變化分析，結(jié)果見圖1。

由圖 1可以看出，PAR（圖 1a）、VPD（圖1b）、Ta（圖1c）的日變化都呈先增大、后減小的趨勢，PAR的峰值出現(xiàn)在中午12：00-13：00，而 VPD、Ta的峰值均出現(xiàn)在 12：00-17：00，且中午、下午明顯較大。RH的日變化趨勢（圖1d）與PAR、VPD、Ta相反（上午增大，隨后逐漸降低，最低值出現(xiàn)在 13：00-17：00，之后逐漸增大）。果實膨大期和成熟期內(nèi)PAR和VPD都很 大，PAR 峰 值 為 1 154.369 μmol·m-2·s-1～1 473.263 μmol·m-2·s-1，平 均 值 為 1 065.893 μmol·m-2·s-1，VPD 峰 值 為 2.563 kPa～4.149 kPa，平均值為2.489 kPa。在水資源相對短缺的半干旱地區(qū)，VPD作為判斷葉片需水量的重要因子，其值越大，表明葉片缺水越嚴重。兩個生長期內(nèi)Ta很高，中午時段的Ta值在35℃左右甚至更高，因此導致葉片水分蒸發(fā)較快，RH值降低。Ta和RH的變化趨勢相反，二者在果實膨大期和成熟期出現(xiàn)峰值和谷值的時間不同，果實膨大期均早于果實成熟期。與此同時，VPD也從側(cè)面反映出Ta和RH對蘋果樹葉片的影響。當Ta越大時，RH就越小，葉片對水分的需求就越大，而此時的VPD也越大。

圖1 （a）光合有效輻射（PAR）、（b）葉片飽和水汽壓差（VPD）、（c）空氣溫度（Ta）、（d）空氣相對濕度（RH）的日變化Fig.1 Diurnal variations of（a）photosynthetically active ra?diation（PAR），（b）vapor pressure deficit（VPD），（c）air temperature（Ta）and（d）relative humidity（RH）

2.2 不同生長期蘋果樹葉片生理因子日變化

圖2為不同生長期蘋果樹葉片生理因子日變化趨勢。Pn在果實膨大期和成熟期大致都呈先升高后降低的變化趨勢（圖2a），且都有“雙峰”，出現(xiàn)了短暫的“光合午休”現(xiàn)象。gs在兩個生長期呈現(xiàn)出與Pn相同的變化規(guī)律（圖2b），gs值在12：00左右波動幅度較大，均出現(xiàn)了低谷，是由于午間太陽輻射強，空氣溫度高，葉片因水汽虧缺大而關閉氣孔防止水分流失；此外，上午的gs值整體上要比下午的大。Tr的變化規(guī)律與Pn和gs的規(guī)律相似（圖2c），整體上呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，也有“雙峰”。午后Tr降低，是受到氣孔關閉的影響，而下午Tr的減小也離不開太陽輻射減弱的影響。Ci的日變化趨勢與Pn和gs的相反（圖2d），在兩個生長期內(nèi)的變化趨勢都是早晚大，下午小，呈現(xiàn)出“V”型的變化規(guī)律，最小值出現(xiàn)在14：00-17：00，整體變化差異較大。

圖2 （a）凈光合速率（Pn）、（b）氣孔導度（gs）、（c）蒸騰速率（Tr）和（d）胞間CO2濃度（Ci）的日變化Fig.2 Diurnal variations of（a）net photosynthesis（Pn），（b）stomatal（gs），（c）transpiration rate（Tr）and（d）substomatal CO2concentration（Ci）

2.3 蘋果樹葉片光合生理特征對環(huán)境因子的響應

VPD是表征葉片水汽虧損的重要指標，對氣孔的大小能夠產(chǎn)生很大的影響。圖3為gs與VPD的線性關系圖，可以看出：在蘋果樹兩個生長期內(nèi)，gs與VPD成負相關關系，gs隨VPD的增大而逐漸減小。整體來看，上午Ta較低，RH較大，葉片飽和水汽壓差小，gs值也相對較大；下午隨著Ta升高，VPD逐漸增大，受其影響gs逐漸下降，此后VPD雖有所降低，但其值仍高于上午，而gs一直處于下降趨勢，這表明半干旱地區(qū)蘋果樹葉片在果實膨大期和成熟期的午間時段，由于空氣溫度增高，葉片失水過快而導致氣孔關閉。

圖3 蘋果樹葉片氣孔導度（gs）和飽和水汽壓差（VPD）的關系Fig.3 Relationship between stomatal conductance（gs）and vapor pressure deficit（VPD）of apple tree leaves

圖4為蘋果樹葉片兩個生長期內(nèi)Pn對gs的響應關系，從而可以看出，Pn與gs呈對數(shù)型曲線，Pearson相關系數(shù)為 0.547**（P＜0.01），Pn隨gs的增大而增大，但是增長速度卻隨gs的增大而逐漸放緩。在兩個生長期的上午，Pn隨gs的增大而增大，隨后二者都達到峰值，但之后Pn受氣孔逐漸關閉的影響逐漸減小，出現(xiàn)“光合午休”。

圖4 蘋果樹葉片氣孔導度（gs）與凈光合速率（Pn）的關系Fig.4 Relationship between stomatal conductance（gs）and net photosynthesis（Pn）of apple tree leaves

2.4 不同階段光合作用的氣孔限制與非氣孔限制

由圖5可以看出，在果實膨大期和成熟期內(nèi)，Ls從早間開始逐漸增大，在 14：00-17：00達到峰值，之后雖呈下降趨勢，但Ls在下午仍較大，這表明氣孔限制是影響全天光合作用最重要的因子。Ci/gs的變化趨勢與Ls正好相反，從早晨開始變化一直不大，在正午時段稍微有所上升，在Ls達到峰值的同時，Ci/gs下降到低谷，隨后持續(xù)升高，增長幅度較大。

圖5 蘋果樹葉片氣孔限制值（Ls）和非氣孔限制值（Ci/gs）的日變化Fig.5 Diurnal variations of stomatal（Ls）and non-stomatal limitations（Ci/gs）to photosynthesis of apple tree leaves

3 討論

3.1 主要生理因子及“光合午休”現(xiàn)象

Ci作為判別葉片光合作用氣孔或者非氣孔限制的主要因素，在試驗期間呈“V”字型變化規(guī)律，此結(jié)論與其他作物的研究結(jié)果一致［13-15］。外界CO2進入葉片葉綠體內(nèi)包括兩個階段：一是Ca通過氣孔向Ci擴散，二是Ci通過葉肉細胞向葉綠體內(nèi)擴散 CO2（Cc），因此 Ci值的大小與 gs和葉肉導度（gm）有關［13］。當 gs減小，Pn降低，Ci也呈下降趨勢時，表明氣孔限制是影響葉片光合作用的主要因子；如果Ci升高，而gs與Pn仍降低，則表明造成此時光合速率下降的主要原因是葉肉細胞光合能力的降低，即非氣孔限制因素的影響［16］。有研究表明，gm是非氣孔限制因子中的不可或缺的因素［17］，空氣越干燥，VPD 越大，gm就越?。?8-19］。上午VPD較下午小，因此gm較大，外界CO2通過氣孔進入Ci，通過葉肉細胞進入葉綠體內(nèi)，對CO2消耗加大，因此Ci降低，下午VPD雖有降低但一直居于較高水平。因此gm較小，阻礙CO2向細胞內(nèi)部擴散，非氣孔限制增強，Ci值增大。

兩個生長期Pn在13：00左右都出現(xiàn)了短暫的“光合午休”現(xiàn)象，同時Ci呈下降趨勢，值較小，此時受Ta增高和VPD過大的影響，氣孔關閉，gs減小。因此可以推斷，蘋果樹葉片出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象主要是受氣孔限制因素的影響［13］。雖然gs的日變化呈現(xiàn)周期性波動，是黃土高原半干旱地區(qū)蘋果樹自身適應干旱的自行生理調(diào)節(jié)機制［20］，但強烈的氣孔限制仍舊影響著光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，“光合午休”現(xiàn)象無法從根本上消除，因此需要通過改善栽培結(jié)構(gòu)，利用不同農(nóng)作物的生理特征，發(fā)展間作和套種模式，加強光合作用，改善局地小氣候，適當補給水分，減緩氣孔限制的影響，提高果實品質(zhì)，增加農(nóng)業(yè)效益［21-22］。

3.2 光合作用的氣孔限制和非氣孔限制

Ls在兩個生長期內(nèi)的8：00-15：00，都呈上升趨勢，這是由于早間Pn逐漸增大，此階段gs和 gm都較大，導致 Ca向 Ci、Ci向 Cc的擴散速度加快，葉片的光合作用暫未受到限制。因此，Ls值升高反映了Ci的過度消耗；午間由于太陽輻射增強、VPD增大，氣孔逐漸關閉，gs減小，Pn隨gs的降低而逐漸減小，出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，但 gm相對較大，因此 Ci仍向 Cc擴散，Ci不斷降低，表明這兩個時間段內(nèi)光合作用的降低以氣孔限制為主導。下午，Ls逐漸降低，但其值仍較大，表明下午時段的氣孔限制也不容忽視。Ci/gs在 8：00-14：00稍有上升，但整體趨勢較緩，表明該時間內(nèi)非氣孔限制較??；在15：00左右逐漸增大，增長速度較快，表明該時段內(nèi)非氣孔限制占據(jù)主導，這是由于下午VPD仍較大，gs與gm都很小，限制了CO2向葉綠體內(nèi)的擴散，Ci值逐漸回升。

本研究對果實膨大期和成熟期中午均出現(xiàn)的非氣孔限制的原因以及造成非氣孔限制的其他因素如葉綠體活性［23］、Rubisco活性、RuBP再生能力［2，23］以及植物含水量、葉綠素含量等植物光合生理指標的數(shù)據(jù)并未測定，希望以后進行研究。

由于試驗條件的限制，本文僅探討了2019年7月-10月自然條件下蘋果樹葉片光合生理特性的日變化規(guī)律及對環(huán)境因子的響應，所得到的結(jié)果可以為了解蘋果樹生長期的光合作用限制因素提供一定參考，但數(shù)據(jù)研究的時間跨度較短，僅能表示蘋果樹兩個生長期的光合特性變化規(guī)律。在后續(xù)研究中將對蘋果樹結(jié)果前期的葉片光合特性以及其他光合生理因子如植物含水量和葉綠素含量等因子對環(huán)境的響應規(guī)律進行研究，來進一步完善蘋果樹整個生長期的生理特性變化數(shù)據(jù)和環(huán)境響應規(guī)律，以期獲得更加普遍和更具有代表性的規(guī)律。

3.3 蘋果樹生長和管理措施

3.3.1 覆草、生草

黃土高原地區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)蘋果的產(chǎn)地之一，但該地區(qū)氣候干旱，降水不均，土壤疏松，水土流失嚴重，使得裸露土層底部含水量降低，土壤干燥化加重，難以調(diào)蓄蘋果園地下的水分，通過覆秸稈和生草可以增加蘋果園土壤孔隙狀況及貯水庫容，建立果園覆蓋技術體系，改善果園土壤水分［24］，此外，地面覆蓋還可以提高土壤肥力［25］，影響蘋果樹的生長和生理狀況［26］。面對黃土高原地區(qū)特殊的氣候，應因地制宜制定不同覆蓋方式來保持水土，調(diào)節(jié)土壤水分含量，減輕果實膨大期和成熟期內(nèi)因空氣溫度升高濕度降低而導致的“光合午休”帶來的一系列影響，增加空氣濕度。

3.3.2 修剪

對果樹進行整形修剪，不僅能夠影響光合產(chǎn)物的積累量，又能合理調(diào)配養(yǎng)分在營養(yǎng)器官和生殖器官之間的分配［27］。若沒有合適的整形修剪，蘋果樹的生長（光合作用、養(yǎng)分分配）必然會受到明顯的抑制，最終導致果實品質(zhì)降低，蘋果樹發(fā)育緩慢。在蘋果樹管理方面，應根據(jù)蘋果樹生長狀況及時對其進行修剪，合理調(diào)整樹冠結(jié)構(gòu)，進而改善土壤水分，保證枝條能充分汲取營養(yǎng)，提高蘋果樹果實膨大期和成熟期葉片的光合速率，提高果實坐果率，確保蘋果的質(zhì)量和產(chǎn)量。

3.3.3 間作

研究表明，農(nóng)林復合生態(tài)系統(tǒng)在提高土地生產(chǎn)力、解決土地矛盾和改善生態(tài)環(huán)境等方面有重要的促進作用［28］。果樹下間作其他作物，能夠有效改善果園小氣候，提高小系統(tǒng)內(nèi)的空氣濕度，并且間作作物的氣溫日變化幅度?。?2］，在高溫期（7月-10月果實膨大期和成熟期）能夠有效防止高溫對蘋果的不利影響。從表2可以看出，果實膨大期和成熟期內(nèi)午間時段凈光合速率和蒸騰速率都降低，會影響到蘋果糖分等光合產(chǎn)物的積累，因此，采取不同的間作方式，可以改善蘋果樹周圍的小氣候，使周圍空氣溫度降低濕度增加，蒸騰速率加快，減弱“光合午休”現(xiàn)象，積累更多的光合產(chǎn)物，提高果實質(zhì)量。另外，間作其他作物，也能增加相應的經(jīng)濟效益，增加收入。

表2 不同時期各個光合生理指標的差異性Table 2 The differences of photosynthetic physiological indexes in different periods

3.3.4 合理選擇灌溉方式

研究表明，蘋果樹在不同生長期對水分的需求也不同，在生長中期（果實膨大期）需水量最大，其次為果實成熟期［10，29-30］，且果實膨大期內(nèi)土壤水分的供應量直接影響果實的最終大小和產(chǎn)量［10］。在果園內(nèi)部完善灌溉基礎設施，合理選擇灌溉方式，能夠調(diào)配果樹正常發(fā)育對水分的需求量。因此，因地制宜合理選擇灌溉方式既可以達到節(jié)水的效果，又能夠通過補充土壤水分來提高果實品質(zhì)，具有很大的推廣意義。

4 結(jié)論

（1）蘋果樹葉片光合作用的限制因子在兩個生長期內(nèi)出現(xiàn)的時間不同。Ls呈先增大后減小的趨勢，上午逐漸增大，午后達到最高值后逐漸下降，但值仍較大，表明光合作用在上午及午后主要受氣孔限制影響，且受氣孔限制影響的時間也較長，果實膨大期中午時段氣孔限制最強烈，而果實成熟期主要是在下午最強。Ci/gs在上午較小，變化幅度不大，下午逐漸升高且斜率較大，表明光合作用的限制形式由氣孔限制轉(zhuǎn)為非氣孔限制為主。

（2）在兩個生長期內(nèi)都出現(xiàn)了“光合午休”現(xiàn)象，主要是受氣孔限制的影響，由于過大的PAR和VPD，導致氣孔逐漸關閉，但此時非氣孔限制因素的影響也不容忽視。面對“午休”現(xiàn)象，管理者可以通過增加覆草、生草面積提高土壤中水分的含量，保證蘋果樹在水脅迫條件下對水的需求量，并且可以在早期對蘋果樹進行更新修剪，積極實行間作種植模式，合理設置灌溉方式，提高果實品質(zhì)，實現(xiàn)規(guī)模效益。